升温速率对医疗垃圾热解机理的影响

　　摘要:用TGA-DTA差热失重联用分析仪研究升温速率对输液瓶、一次性医用手套、敷料内心和白鼠肌肉4种典型医疗垃圾热解过程的影响规律.结果表明:在其他试验条件都相同的情况下,随着升温速率的提高,热解反应起始温度、终止温度、峰温升高,反应区间$T变宽,发生最大热失重速率的温度也升高,热失重峰的峰高也随之增加;升温速率对热失重率的影响随医疗垃圾种类而不同,对较难分解的医疗垃圾(如敷料内心和白鼠肌肉等)影响大,对容易分解的医疗垃圾(如输液瓶和一次性医用手套等)影响较小.

　　关键词:升温速率;医疗垃圾;热解机理;影响

　　用热解法处理医疗垃圾具有无害化、减量化和资源化等优点,因此日益受到重视,并有大量研究.MA等[1]对医疗垃圾中PVC成分的热解特征、二英的产生、热解产物中可燃成分和HCl的回收等进行了研究,并发现在固体残留物中氯元素的含量很少;ZHU等[2]研究了脱脂棉、呼吸器和竹棉签棒3种典型医疗垃圾的热失重特性,分析了热解产物的组成比例;HUANG等[3]用热等离子体技术对塑料、废轮胎和医疗垃圾等进行了热解试验,认为热等离子体技术是实现废弃物能源化和资源化回收的有效手段;马洪亭等[4-7]分别介绍了医疗垃圾的热解气化原理和热解气化装置的结构特点,对医疗垃圾的典型组分进行了热重分析并建立了动力学模型;王乔力等[8-9]分别对单组分、双组分和多组分医疗垃圾的热解特性进行了试验,分析了混合比对热解特性的影响特点.文献[10-12]分析和介绍了垃圾处理领域的技术发展现状,我国在固体废物管理体制方面的存在的问题,以及在垃圾焚烧过程中造成的重金属污染和控制方法.文献[13-15]分别研究了聚乙烯和混合垃圾的热解动力学特性和热失重特性.但从已查阅到的文献看,绝大多数研究都是在固定升温速率条件下进行的,没有对不同升温速率的影响规律进行系统研究.为此,笔者设定不同升温速率,分别对输液瓶、一次性医用手套、敷料内心和白鼠肌肉4种典型医疗垃圾进行热解试验,旨在了解升温速率对医疗垃圾热解过程的影响规律,以期为优化热解装置设计和控制运行参数提供基础数据和理论依据.

　　1试验设备和方法

　　采用日本岛津公司生产的TGA-DTA型差热失重联用分析仪.热天平的主要参数:测温范围,20~1500e;天平类型,平行双柱顶部托盘(上皿)式;灵敏度01001mg;量程为?500mg;测量精度为?1%.

　　2结果和讨论

　　2.1升温速率对输液瓶热解机理的影响

　　在试验条件都相同的前提下,设定4种升温速率(5,20,25和35ePmin)对塑料类的输液瓶(主要成分为聚丙烯)进行热解试验,热失重率(TG)和热失重速率(DTG)曲线如图1所示.

　　由图1(a)可知,升温速率对输液瓶总的热失重率影响很小.4种升温速率对应的总热失重率分别为9818%,9813%,9810%和9712%,略有下降,相差116%.考虑到系统误差和操作方面的影响,基本可认为升温速率对热失重率没有影响.起始温度和终止温度均随升温速率升高而逐渐升高.对应5,20,25和35ePmin4种升温速率,起始温度分别为380,393,411和412e,增加32e,说明输液瓶的热稳定性受升温速率的影响比较明显.对应4种升温速率的终止温度分别为483,514,527和543e,升高了60e,表明升温速率对终止温度的影响较大.反应区间$T也随升温速率的升高而逐渐变宽,与4种升温速率对应的$T分别为103,121,116和131e,相差28e,因此升温速率对$T的影响也比较明显.在反应区间$T内输液瓶的热失重率分别为9515%,9613%,9514%和9714%,均在9510%以上,表明输液瓶的热失重过程主要集中在$T内完成.

　　2.2升温速率对一次性医用手套热解机理的影响

　　4种升温速率下橡胶类的一次性医用手套热解试验结果如图2所示.由图2可知,医用手套的总热失重率均比较高,与10,15,20和30ePmin4种升温速率对应的总热失重率分别为9712%,9711%,9618%和9710%;但总热失重率最大差值为014%,表明升温速率对热失重率的影响很小.考虑到系统误差、样品因素和操作等方面的影响,可以忽略升温速率的影响.起始温度和终止温度均随升温速率升高而升高,当升温速率从10ePmin升高到15,20和30ePmin时,对应的起始温度分别为265,274,282和290e,仅升高25e.升温速率越高,医用手套开始发生显著热失重的起始温度也越高,热稳定性也越好.与4种升温速率对应的终止温度分别为461,471,479和498e,升高了37e,受升温速率的影响比较明显.反应区间$T随升温速率的升高而逐渐变宽,与4种升温速率对应的$T分别为196,197,197和208e,相差仅12e,表明受升温速率影响不大.在$T内的热失重率分别为9413%,9318%,9414%和95%,非常接近,表明升温速率对其影响也很小.热失重率均在9310%以上,与总热失重率相近,表明一次性医用手套的热失重过程主要集中在$T内完成.

　　2.3升温速率对敷料内心热解机理的影响

　　4种升温速率下合成纤维类的敷料内心热解试验曲线如图3所示.由图3(a)可知:升温速率对敷料内心的总热失重率有明显影响.随升温速率的升高,总热失重率从9517%下降到8512%,下降了1015%.

　　2.4升温速率对白鼠肌肉热解机理的影响

　　在各类医疗垃圾中,由于蛋白质类物质的热解比较困难且热解过程持续时间较长,因此对属于蛋白质类的白鼠肌肉展开的研究,对于医疗垃圾热解装置的设计和运行具有非常重要的实际意义.图4为4种升温速率下白鼠肌肉的TG和DTG曲线.

　　3结论

　　a.在其他试验条件相同的情况下,随升温速率的升高,试验终温对应的的热失重率呈下降趋势.但升温速率对不同类型垃圾的影响程度有所不同,对比较容易热解的医疗垃圾,如输液瓶和一次性医用手套等的影响较小,而对相对较难热解的医疗垃圾,如敷料内心和白鼠肌肉等的影响比较明显.

　　b.升温速率对各种医疗垃圾热解时的起始温度和终止温度的影响规律一致,二者均随升温速率升高而升高,表明医疗垃圾的热稳定性越好,显著热失重过程结束的温度越高.在TG曲线上表现为随升温速率的升高,显著热失重阶段的台阶向高温区移动.

　　c.反应区间$T随升温速率升高而逐渐变宽,表明显著热失重过程持续的时间越长.

　　d.峰温随升温速率升高而升高.表明医疗垃圾热解过程中发生最大热失重速率的温度也越高;且热失重峰的峰高也随升温速率的升高而增高.

　　参考文献(References):

　　[1]MARonghua,LINYichang,KUOChunpao.Thestudyofthermalpyrolysismechanismsforchloroorganiccompoundsinelectriccableandmedicalwaste[J].JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis,2006,75:245-251.

　　[2]ZHUHongmei,YANJianhua,JIANGXuguang,etal.StudyonpyrolysisoftypicalmedicalwastematerialsbyusingTGA-FTIRanalysis[J].JHazardMateri,2007,9:1-19.

　　[3]HUANGHui,TANGZhe.Treatmentoforganicwasteusingthermalplasmapyrolysistechnology[J].EnergyConversionandManagement,2007,48:1331-1337.

　　[4]马洪亭,张于峰,邓娜,等.影响医疗垃圾热解特性的主要因素[J].化工进展,2007,26(12):1792-1798.

　　[5]JangsawangW,FungtammasanB,KerdsrwanS.Effectofoperatingparamerersonthecombustionofmedicalwasteinacontrolledairincinerator[J].EnergyConversionandManagement,2005,46(20):3137-3149.

　　[6]马洪亭,张于峰.PCDDPPCDF从头合成的影响因素和拟制方法[J].化工进展,2006,25(5):557-56

　　马洪亭,张于峰,邓娜,郭晓娟,魏莉莉

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